CN201479004U - 高集成智能型功率模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高集成智能型功率模块，它包括外壳和功率基板，在外壳内集成有功率模块、驱动模块，外壳内还集成有内置辅助模块，所述的内置辅助模块至少包括悬浮电源模块、平行板电容矩阵模块、时间常数设置电容模块、短路保护模块、三相N端电流检测模块和温度检测模块。本实用新型适合用于驱动电机的变频器和各种逆变电源。

Description

高集成智能型功率模块

技术领域

本实用新型涉及一种智能型功率模块(High-Integrated IntelligentPower Module，简写为HIPM))，特别涉及一种利用新型模块)(电路)来进一步提升智能型功率模块(IPM)集成度的高集成智能型功率模块。

背景技术

智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，不仅把功率开关器件IGBT和驱动电路集成在一起，而且还具有欠电压、过电流和过热等故障检测、保护功能，并可将错误信号输出至CPU。因此，使用智能型功率模块的系统，在系统发生负载事故或使用不当情况下，仍能保证IPM自身不受损坏。IPM以其高可靠性、低损耗、低开发成本正赢得越来越大的市场，尤其适合用于驱动电机的变频器和各种逆变电源。它是变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电的一种非常理想的电力电子器件。

IPM发展至今，其体积和功耗正在逐步减小，其功能越来越完善。然而，以开发和使用简便作为其优势的IPM，其集成度并未得到跨越式发展。现在市场主流IPM，仍然存在如下问题：

1、三相全桥结构封装的IPM开通和关断，其上桥臂的IGBT驱动电路需要大量外围电路配合，所以集成度较低。2、外围电路中大容值电容的使用和下桥臂长时间开关导通所引起的负压问题，会导致上桥臂误触发，很显然这不仅增加了系统的不稳定性，也增加系统搭建的成本。3、为搭建低成本控制系统电流检测，IPM模块由最初的单一N端输出，到如今发展分立式三相N端输出，但是其三相N端输出仍然需要自己搭建信号采集回路，增加用户的开发难度，在使用不慎情况下会造成系统损坏。

发明内容

本实用新型的目的是研究出一种高集成智能型功率模块。

本实用新型针对现有市场中IPM需要外围充电电路提供悬浮电源触发三相上桥臂IGBT，三相N端电流检测接口功能不完善、集成度不高的问题，提出了一种高集成智能型功率模块。

本实用新型的技术方案是：包括外壳和功率基板，在外壳内集成有功率模块、驱动模块，其特征在于外壳内还集成有内置辅助模块，所述的内置辅助模块至少包括悬浮电源模块、平行板电容矩阵模块、时间常数设置电容模块、短路保护模块、三相N端电流检测模块和温度检测模块；驱动模块上连接有悬浮电源模块、时间常数设置电容模块、短路保护模块、温度检测模块；功率模块上连接有三相N端电流检测模块，平行板电容矩阵模块和悬浮电源模块入驱动模块连接。

本实用新型的优点：一是没有外围自举充电电容，所以无开关导通时间限制，大幅降低了HVIC(高压集成电路)误动作，二是系统中使用本实用新型，系统搭建更为简便。三是集成度高，本实用新型利用新型材料填充组装工艺在IPM内设置自举充电电路、稳压及时间设定电容，大大提高了集成度。

附图说明

图1是本实用新型外部引脚示意图；

图2是本实用新型内部各功能模块框图；

图3是本实用新型内置悬浮电源模块结构图；

图4是本实用新型三相N端电流检测功能模块结构示意图；

图5是依照铺铜工艺生成电阻示意图；

图6是嵌入式工艺生成平面电阻示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型发明作进一步说明。

图1所示是本实用新型外部引脚示意图。本实用新型利用新型材料填充组装工艺，在不增加IPM体积进行封装的前提下，减少了常规定义的外部管脚，本实用新型仅需17根管脚，包括：直流供电电源管脚(引脚1与引脚2)、错误输出信号(引脚3)、六路PWM控制信号(引脚4-引脚9)、三相N端电流检测信号(引脚10-引脚12)、功率侧直流(引脚13与引脚17)、三相输出引脚(引脚14-引脚16)。本实用新型通过大大减少常规IPM外部引脚，使得IPM的集成度更高，可靠性更强，从而使得其应用和系统搭建更为简便。

图2所示是本实用新型外壳内部各功能模块框图。本实用新型的外壳内部集成有功率模块、驱动模块和内置辅助模块。所述的内置辅助模块至少包括悬浮电源模块1、平行板电容矩阵模块2、时间常数设置电容模块3、短路保护模块4、三相N端电流检测模块5和温度检测模块6。驱动模块上连接有悬浮电源模块1、时间常数设置电容模块3、短路保护模块4、温度检测模块6；功率模块上连接有三相N端电流检测模块5，平行板电容矩阵模块2和悬浮电源模块1、驱动模块连接。

图3是本实用新型的内置悬浮电源模块结构示意图。内置悬浮电源模块1，包括一个自激震荡之信号源、高速开关S1与S2、二极管D1与D2、平行板电容C_H与C_L以及电阻R_G1，它们组成无需下管导通而可直接供电的电源，由此实现单脉冲控制的C_L与C_H电源传输的通断互锁，即：S1导通时，C_L充电，此时S2关断；S1关断时，S2导通，C_L给C_H充电，上管可顺利实现导通控制。所述的高速开关S1为N型MOS，高速开关S2为P型MOS。

本实用新型的内置悬浮电源模块1并不需要大容值的电容供电，因此电容可用小容量的嵌入式平行板电容，它不会影响悬浮电源模块1对上管供电的工作特性。

平行板电容矩阵模块2为利用封装工艺形成的平行板电容矩阵。它是利用功率基板线路之间的几何结构，在输入引脚与内部COM之间，填入高介电常数之材料直接形成的平行板电容矩阵。平行板电容矩阵模块2用于三相六路驱动信号的滤波，以及FO错误输出信号的滤波。本实用新型HIIPM三相六路PWM控制信号可直接连接至CPU，且无下管导通时序的限制。对上管的导通控制而言，解除了实际整流、逆变等应用电路中，上管导通时序及持续时间对于下桥臂的开关约束。

时间常数设置电容模块(电路)3，设于最接近驱动模块(IC)特定管脚处。它利用功率基板线路之间的几何结构，在最接近驱动模块特定管脚处填入高介电常数材料，如碳酸钡，直接形成平行板电容。它是依靠工艺封装实现平行板电容内置于HIIPM内部，因此外部无时间常数设置引脚。

短路保护模块(电路)4，它是依靠工艺封装实现平行板电容与无感、高精度、低热影响电阻形成的滤波RC模块(电路)，内置于HIIPM内部，因此外部无短路保护引脚。此模块4优化了短路保护中引线长度和路径，使得HIIPM短路保护能力得到完善。具体如图5所示，它是依靠铺铜工艺形成，通过在IPM模块内的控制电路板上铺铜，产生一定宽度和长度的铜线，以生成设定阻值的电阻，由此工艺形成之的嵌入式电阻具有高精度、高线性、低感性、对频率不敏感的特点，非常适合制作IPM内部(适合铝基板)的集成电流检测电阻。图5中R为铺铜形成的等效电阻，7为通孔，8为电路板底层铜线，9为电路板顶层铜线。

图4是本实用新型三相N端电流检测功能模块5结构示意图。它利用功率基板之走线之几何结构，把低杂散电感，低温度系数，高功率与高精度的嵌入式检测电阻R_SU、R_SV、R_SW集成于功率基板上，并作为信号输出单独引出至信号端，引脚10、11、12在功率端直接以单个N端输出，并利用灌胶封装方式予以保护。

温度检测模块(电路)6集成于HIIPM内部，即将过温保护集成于HIIPM内部。

图6为嵌入式工艺生成平面电阻的示意图，其中10为IPM模块控制电路基板材料。本实用新型依靠平行条电阻串联，形成预定之电阻值。其计算公式为：

$R=\mathrm{\ρ}\·\frac{2\·L}{N\·W\·t}$

其中，L为单条平行电阻长度，W为平行板电阻宽度，t为平行板电阻的深度。

由图中可看到，相邻平行条电阻中电流回路为逆向，可有效的抵消其自感，因此构成的嵌入式电阻具有极低自感值。

本实用新型的特点：

1、悬浮电源模块1特点，它包含一个自激震荡之信号源、两个高速关开、两个二极管、两个电容，它形成与主功率开关(具体)断路的充电(re-flash)的机制。悬浮电源的产生与主功率开关之导通与否无关，此作法可大幅降低自举充电电容之容值。降低自举电容之容值，一方面降低负压冲击，避免负压导致的误触发故障，另一方面，为封装直接实现平行板电容在IPM中的使用提供了可能。

2、本实用新型新型进一步优化三相N端作为低成本系统中电流检测功能，将三臂电流检测之电阻集成于功率基板上，并作为信号输出单独引出至信号端，在功率端直接以单个N端输出，并利用灌胶封装方式予以保护。在具体实施中，利用功率基板之走线之几何结构，达到低杂散电感、低温度系数、高功率与高精度的检测电阻。

3、本实用新型所提供的高集成智能型功率模块(HIIPM)，嵌入式电容中平行板电容的电容量大小取决于绝缘层的厚度和介电常数，同时还与电路板的尺寸有关系。

C＝AD_kK/t

其中

C＝全部的电容量

A＝面积

D_k＝介电常数

K是常数

t＝厚度

由以上公式可得知，可通过在绝缘层中填充高介电常数的新型材料(如钛酸钡)来获得更高的电容量，利用功率基板线路之间的几何结构，于最接近驱动模块(IC)之管脚处填入高介电常数之材料直接形成平行板电容，在IPM封装中实现预定之电容值。

4、本实用新型因驱动之HVIC的回路所产生的杂散电感已经最小化，除下臂开关导通所产生之负电压幅值可大为降低外，同时因悬浮电源的容值也大为减小，下臂开关导通所产生之负电压的维持的时间也大幅缩减，故可有效的解决HVIC因负压太大而造成误动作的问题。

Claims (6)

1.一种高集成智能型功率模块，包括外壳和功率基板，在外壳内集成有功率模块、驱动模块，其特征在于外壳内还集成有内置辅助模块，所述的内置辅助模块至少包括悬浮电源模块、平行板电容矩阵模块、时间常数设置电容模块、短路保护模块、三相N端电流检测模块和温度检测模块；驱动模块上连接有悬浮电源模块、时间常数设置电容模块、短路保护模块、温度检测模块；功率模块上连接有三相N端电流检测模块，平行板电容矩阵模块和悬浮电源模块入驱动模块连接。

2.根据权利要求1所述的高集成智能型功率模块，其特征在于内置悬浮电源模块包括一个自激震荡之信号源、高速开关S1与S2、二极管D1与D2、平行板电容C_H与C_L以及电阻R_G1。

3.根据权利要求1所述的高集成智能型功率模块，其特征在于平行板电容矩阵模块利用功率基板线路之间的几何结构，在输入引脚与内部COM之间，填入高介电常数材料构成。

4.根据权利要求1所述的高集成智能型功率模块，其特征在于时间常数设置电容模块设于最接近驱动模块特定管脚处。

5.根据权利要求1所述的高集成智能型功率模块，其特征在于短路保护模块是依靠工艺封装的平行板电容与无感、高精度、低热影响电阻形成的滤波RC模块。

6.根据权利要求1所述的高集成智能型功率模块，其特征在于三相N端电流检测模块的三臂电流检测电阻R_SU、R_SV、R_SW集成于功率基板上。

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